Golflengteverdeling multiplexen

Bandbreedte in communicatie is als kastruimte in uw huis: u kunt er nooit genoeg hebben. En door internetverkeer groeit de vraag naar communicatiecapaciteit sneller dan de garderobe van een tiener met een onbeperkte creditcard. Megabytes aan geanimeerde afbeeldingen die bandbreedte in beslag nemen vervangen compacte e-mailberichten. Data-, video- en spraaksignalen verdringen transmissiesystemen die een paar jaar geleden nog voldoende ruimte hadden. De communicatie-industrie heeft ademruimte nodig.

Dat is precies wat een nieuwe generatie glasvezeltechnologie brengt voor netwerken zoals het toepasselijk genaamde Project Oxygen. Neil Tagare, oprichter van de CTR Group in Woodcliff Lake, N.J., koos die naam voor het wereldwijde netwerk omdat hij de enorme bandbreedte die door de nieuwe technologie wordt geboden, net zo essentieel vond voor telecommunicatie als zuurstof voor het leven zelf. Door signalen op 16 verschillende golflengten door elk van de vier paar optische vezels te sturen, zal Project Oxygen 640 gigabit per seconde (Gbit/s) over hele oceanen vervoeren. Dat is het equivalent van 10 miljoen gelijktijdige telefoongesprekken, genoeg voor elke persoon in Hongarije of België om tegelijkertijd naar de Verenigde Staten te bellen.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van maart 1999

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

De technologie die deze nieuwe bandbreedte mogelijk maakt, wordt golflengteverdelingsmultiplexing of WDM genoemd en vertegenwoordigt de tweede grote glasvezelrevolutie in de telecommunicatie. De eerste kwam in de jaren tachtig, toen telefoonmaatschappijen de Verenigde Staten en andere landen van vezels voorzien om een ​​wereldwijde ruggengraat van informatiepijpleidingen te creëren die veel meer gegevens konden vervoeren dan de koperdraden en microgolfverbindingen die ze vervingen. WDM maakt van dit voordeel een gigantische stap door de potentiële capaciteit van elke vezel verder te vermenigvuldigen door deze te vullen met niet slechts één, maar met vele golflengten van licht, die elk een afzonderlijk signaal kunnen dragen.

Multiplexing met golflengtedivisie is vrij gemakkelijk ontstaan, aangezien oudere glasvezelkabels vol raakten, zegt Richard Mack, vice-president bij KMI Corp., een in Newport, R.I. gevestigd marktanalistenbedrijf dat gespecialiseerd is in glasvezel. Door gebruik te maken van WDM konden langeafstandsvervoerders zoals AT&T en MCI het leggen van dure nieuwe kabels vermijden; in plaats daarvan pompen ze eenvoudig extra golflengten door bestaande vezels.

De WDM-revolutie is met onverwachte snelheid gearriveerd. Een decennium geleden, benadrukt Mack, zeiden mensen dat er een overvloed aan vezelcapaciteit was. Om ruimte te maken voor uitbreiding hadden telefoonmaatschappijen kabels gelegd met 24 tot 36 vezels, waarvan vele als donkere vezels in reserve werden gehouden. Elke vezel droeg honderden megabits per seconde op een enkele golflengte. Sindsdien hebben providers de datasnelheden verhoogd tot 2,5 Gbit/s en de meeste donkere vezels verlicht. Maar de enorme toename van het verkeer heeft deze kabels, die ooit zo omvangrijk leken, overspoeld. Het lijkt erop dat de kasten snel tot de nok toe worden gepakt - en er vallen spullen op de vloer. Het telefoongebruik is verantwoordelijk voor enige stijging, waaronder de verspreiding van faxapparaten en mobiele telefoons. Maar de meest dramatische groei kwam van het internetverkeer, dat elk jaar ongeveer verdubbelt.

Wat ook duidelijk is, is dat er geen einde in zicht is aan de stijgende vraag, vooral als, zoals veel experts denken, tweerichtingsvideocommunicatie gebruikelijker wordt. De communicatie-industrie ondergaat een transitie die ons over een paar jaar digitale video zal opleveren voor ons dagelijks gebruik thuis en op het werk, zegt Shahab Etemad, hoofd van de WDM-transmissieontwikkeling bij Bell Communications Research uit Morristown, N.J., of Bellcore. (Aanvankelijk de onderzoekstak van de lokale en regionale telefoonmaatschappijen, opereert Bellcore nu als een netwerkbeheeradviesbureau met een verscheidenheid aan zakelijke klanten.) Etemad verwacht dat de overgang van spraaktelefonie naar digitale data die zwaar is met video, een vermenigvuldiging van de backbonetransmissiecapaciteit met ongeveer een factor 200, en, benadrukt hij, WDM moet de leidende rol spelen om aan die groeiende vraag te voldoen.

Dankzij de vooruitgang in WDM-methoden heeft fiber goed werk geleverd om deze explosie in de vraag bij te houden. Volgens David Clark, senior onderzoekswetenschapper bij MIT's Laboratory for Computer Science, groeit het vermogen om bits door een vezel te krijgen sneller dan de wet van Moore, die de verdubbeling van de rekenkracht elke 18 maanden voorspelt. Op dit moment, merkt Clark op, verdubbelt het draagvermogen van vezels elke 12 maanden.

Doen met Erbium

De term multiplexing met golflengteverdeling riekt naar technisch jargon, maar het concept is eenvoudig: stuur tegelijkertijd afzonderlijke signalen door dezelfde vezel op verschillende golflengten. In wezen vormt hetzelfde idee de basis van radio- en televisie-uitzendingen, waarbij elk station zijn signaal uitzendt op een toegewezen golflengte in het radiofrequentiespectrum. Natuurlijk denken de meeste mensen in plaats daarvan in termen van frequentie, maar de twee waarden zijn onlosmakelijk verbonden met hun relatie tot de lichtsnelheid. (Bijvoorbeeld 100 megahertz op de FM-wijzerplaat komt overeen met een golflengte van ongeveer 3 meter.)

Dezelfde principes werken voor het licht dat door een optische vezel gaat als voor radiogolven die door de lucht worden uitgezonden. Optische vezels zenden het beste uit bij de onzichtbare, nabij-infraroodlichtgolflengten tussen 1,3 en 1,6 micrometer, ongeveer het dubbele van de golflengte van rood licht.

Als WDM zowel eenvoudig is als een idee dat er al is, waarom is het dan pas onlangs praktisch geworden? Het grootste obstakel was het gebrek aan geschikte versterkers. Lichtsignalen die zelfs door de meest transparante optische vezels gaan, vervagen na een paar honderd kilometer tot ondetecteerbare niveaus. Voor het grootste deel van de tijd dat glasvezel aanwezig was, was de enige manier om vezels langer te overspannen dan om het signaal te regenereren via een opto-elektronisch proces: een fotodetector zou de stroom van verzwakte lichtpulsen omzetten in een spanningssignaal dat elektronisch kan worden versterkt ; dit versterkte signaal moduleerde een laserzender.

Het probleem is dat lichtdetectoren geen onderscheid maken tussen golflengten - ze vervormen signalen met verschillende kleuren, net zoals je oren moeite hebben om te onderscheiden wat er wordt gezegd als twee mensen tegelijk praten. Om opto-elektronische systemen met meerdere golflengten te laten werken, moeten ze een manier hebben om de golflengten optisch te scheiden, met behulp van filters of andere soortgelijke elementen, zodat elk signaal door zijn eigen regenerator kan gaan. Tot voor kort bleek dat echter onpraktisch.

Deze beperking verdween met de uitvinding van een techniek om de intensiteit van het signaallicht direct te versterken, zonder dat een tussenliggende elektronische stap nodig is. Het belangrijkste stukje technologie is iets dat een erbium-gedoteerde vezelversterker wordt genoemd. Deze apparaten, ontwikkeld aan het eind van de jaren tachtig, maakten de WDM-revolutie mogelijk.

In tegenstelling tot een regenerator werkt een glasvezelversterker direct op licht. Licht in het zwakke ingangssignaal stimuleert aangeslagen erbiumatomen in de vezel om meer licht uit te zenden op dezelfde golflengte. Ketens van optische versterkers kunnen worden gecombineerd om signalen door duizenden kilometers glasvezelkabel op het land of onder de oceaan te transporteren - zonder regeneratoren. Omdat ze de golflengte van de optische signalen behouden, kunnen erbiumvezelapparaten meerdere verschillende golflengtekanalen tegelijk versterken zonder ze te vervormen. Erbium-versterkers werken goed in het nabij-infrarode gebied van het spectrum waarop glasvezelsystemen werken.

Op land en in zee

Langeafstandstelefoonmaatschappijen waren de eersten die zich realiseerden dat multiplexen met golflengteverdeling de kosten van bandbreedte kon verlagen. Vergeleken met het alternatief van het toevoegen van nieuwe glasvezel, biedt WDM-technologie een veel effectievere manier om capaciteit toe te voegen, aldus Dana Cooperson, optisch netwerkanalist voor RHK Inc., een marktadviesbureau in South San Francisco. Nieuwe kabel leggen is duur en tijdrovend. En het ingraven van een nieuwe kabel langs dezelfde route die al door een oudere kabel is ingenomen, is riskant - nieuwe opgravingen nodigen uit tot kabelbreuken die het hele systeem buiten dienst zouden kunnen stellen.

De wens van de telecomaanbieders om tijd en geld te besparen heeft geleid tot een snelle ontwikkeling van WDM-technieken. Halverwege de jaren negentig begonnen de luchtvaartmaatschappijen systemen te gebruiken die op vier golflengten zenden, en al snel verhoogden ze het aantal tot acht. Ontwikkelaars hebben het spectrum snel nog fijner gesneden om 16 golflengtekanalen door een enkele vezel te persen voor wat bekend is geworden als dichte WDM.

Toen de vervoerders de noodzaak zagen, voelden fabrikanten de markt even snel aan. Lucent Technologies uit Murray Hill, N.J., paste technologie toe die werd ontwikkeld in de dochteronderneming van Bell Labs. Ciena, een bedrijf uit Linthicum, Maryland, opgericht in 1992, ging sneller vooruit en leverde zijn eerste commerciële 16-kanaals systeem in 1996 op, bijna tegelijkertijd met de AT&T-spin-off. Andere telecomgiganten over de hele wereld volgden, waaronder Nortel, Alcatel, Pirelli, NEC, Hitachi, Fujitsu en Ericsson. In de afgelopen twee tot drie jaar zijn verschillende bedrijven - waaronder Ciena, Lucent en Nortel uit Saint-Laurent, Que. - begonnen met het op de markt brengen van systemen die het erbium-versterkerspectrum in 32 of 40 reepjes snijden, elk slechts 0,8 nanometer breed. Afgelopen september leverde Lucent zijn eerste 80-kanaals systeem aan AT&T. Pirelli Cable uit Lexington, S.C., gevolgd door de belofte van een 128-kanaals versie, maar had medio januari nog geen hardware geleverd.

Telecommunicatiebedrijven hebben tegenwoordig al die kanalen niet nodig - en dankzij de inherente modulariteit van WDM hoeven ze niet meer kanalen te kopen totdat ze klaar zijn. Een vervoerder die een WDM-systeem installeert, kan beginnen met alleen de zenders en ontvangers die nodig zijn voor de weinige initiële kanalen. Later, als de vraag naar capaciteit groeit, kan extra apparatuur worden aangesloten om nieuwe golflengten te openen.

Om optimaal te profiteren van WDM, moeten vaak oudere kabels worden geüpgraded door componenten toe te voegen die een hinderlijk effect, chromatische dispersie genaamd, compenseren. Dit verwijst naar de neiging van een korte lichtpuls om uit te rekken terwijl deze door een vezel reist vanwege het feit dat sommige golflengten sneller reizen dan andere. Dispersie smeert lichtpulsen samen en beperkt daardoor de transmissiesnelheid. Het vermijden van dit fenomeen is vooral belangrijk bij onderzeese kabels, waar lichtsignalen door duizenden kilometers glasvezel van kust naar kust moeten reizen. Nieuwe installaties kunnen gebruikmaken van vezels die zijn ontworpen voor optimale WDM-prestaties en die recentelijk zijn ontwikkeld door zowel Lucent als Corning (Corning, N.Y.).

Vorig jaar begon de eerste grote onderzeese kabel, ontworpen voor gebruik met meerdere golflengten, genaamd Atlantic Crossing 1, 2,5 Gbit/s te verzenden op vier golflengtekanalen op elk van zijn vier vezelparen. De capaciteit van dit systeem kan met die snelheid worden opgewaardeerd tot 16 golflengten per vezel, zegt Patrick R. Trischitta, directeur technische marketing bij Tyco Submarine Systems Laboratories in Holmdel, NJ. Dat belooft een totaal van 160 Gbit/s door de kabel, een lus die de Verenigde Staten verbindt met Groot-Brittannië, Nederland en Duitsland.

Project Oxygen legt de lat hoger. Nieuwere WDM-technologie zal 10 Gbit/s vervoeren bij elk van 16 golflengten over de oceaan in vier vezelparen, een totale capaciteit van 640 Gbit/s per kabel. Dat is meer dan 1.000 keer de capaciteit van de eerste trans-Atlantische glasvezelkabel, die pas tien jaar geleden in gebruik werd genomen. Het hele systeem zal uiteindelijk 168.000 kilometer kabel bevatten, genoeg om vier keer de wereld rond te gaan. Andere groepen plannen meer onderzeese kabelsystemen, hoewel geen enkele zo ambitieus is. Het is geen wonder dat Clark van MIT voorspelt: We gaan verdrinken in vezels.

Op het land zijn regionale telefoonmaatschappijen net begonnen met het gebruik van golflengtemultiplexing. Vorig jaar begon Bell Atlantic WDM te testen op een 35 kilometer lange kabel tussen Brunswick en Freehold, N.J., zegt Robert A. Gallo, de Bell Atlantic-ingenieur die verantwoordelijk is voor de proef. Vier kanalen droegen elk signalen met snelheden tot 2,5 Gbit/s - de hoogste snelheid tussen bedrijfswisselkantoren - en het door Ciena gebouwde systeem heeft slots voor maximaal 16 golflengtekanalen. Bell South testte drie van de 16 kanalen in een soortgelijk systeem op een kabel van 80 kilometer tussen Grenada en Greenwood, mevrouw. De economie is duidelijk: het is goedkoper om WDM-capaciteit toe te voegen dan om nieuwe glasvezel toe te voegen, zegt RHK-analist Cooperson.

Voor de kortere kabels die overstapkantoren verbinden met grote zakelijke klanten gelden andere regels. Hier, in de zogenaamde metromarkt, zijn de kosten van het verhogen van het aantal vezels niet zo'n groot probleem, omdat de ritten zo veel korter zijn, legt Cooperson uit. Toch verbetert WDM de signaaloverdracht op andere belangrijke manieren. Een daarvan is door signalen in hun oorspronkelijke digitale formaten over te dragen in plaats van ze om te zetten in de digitale codering die binnen het telefoonnetwerk wordt gebruikt. Omdat een dergelijke conversie kostbare elektronica vereist, kan het goedkoper zijn om een ​​golflengte te reserveren voor end-to-end transmissie in het oorspronkelijke formaat.

De mogelijkheid om signalen op golflengte te sorteren moet de werking van toekomstige glasvezelnetwerken stroomlijnen. Traditioneel organiseren telefoonbedrijven digitale signalen in een hiërarchie van bitsnelheden, waarbij veel zijrivieren met lage bitsnelheden worden samengevoegd tot machtige digitale rivieren die gigabits per seconde vervoeren. Dit verpakt bits efficiënt op transmissielijnen, maar vereist het uitpakken van de hele bitstroom om individuele signalen te extraheren. Als de signalen echter op golflengte zijn geordend, kan eenvoudige optica het gewenste golflengtekanaal uitlokken zonder de andere te storen. Ingenieurs spreken van het toevoegen van een nieuwe optische laag aan het telecommunicatiesysteem. Klanten kunnen een golflengte in deze optische laag leasen in plaats van het recht te leasen om met een bepaalde datasnelheid te zenden. Een televisiestation zou bijvoorbeeld één golflengte kunnen reserveren van zijn studio naar zijn zender en een andere naar de lokale kabelmaatschappij, en beide signalen kunnen uitzenden in digitale videoformaten die niet worden gebruikt op het telefoonnetwerk.

De Ultieme Knijp

Aangezien de vraag naar bandbreedte geen tekenen van vertraging vertoont, denken de ontwikkelaars van WDM-systemen al na over hoe ze meer golflengten in dezelfde vezel kunnen stoppen. Op dit moment worden er twee basisbenaderingen onderzocht - en er zijn duidelijk grenzen aan beide.

Een benadering is om de ruimte tussen golflengten te verkleinen door golflengten te kiezen die dichter bij elkaar liggen om de veelheid aan signalen te dragen. Het dichter inpakken van golflengten werkt tot op zekere hoogte goed, maar het botst uiteindelijk met de basisfysica. Naarmate bitsnelheden toenemen, worden optische pulsen korter, en - volgens de voorschriften van het onzekerheidsprincipe van Heisenberg - dwingt deze verkorting het lichtsignaal om zich over een breder bereik van golflengten te verspreiden. Deze spreiding kan interferentie veroorzaken tussen dicht bij elkaar gelegen kanalen. Het systeem met de hoogste capaciteit van Lucent verwerkt 10 Gbit/s op golflengtekanalen die worden gescheiden door 0,8 nanometer, maar slechts 2,5 Gbit/s wanneer de kanaalafstand wordt gehalveerd. En weinig experts denken dat kanalen veel strakker kunnen worden geperst. Van de grote leveranciers heeft alleen Hitachi Telecom uit Norcross, Georgia, het over het moduleren van individuele kanalen met 40 Gbit/s en geeft toe dat die signalen slechts beperkte afstanden kunnen overspannen.

De vooruitzichten zien er beter uit voor de tweede optie: uitbreiding van het bereik van transmissiegolflengten. Pirelli gebruikt bijvoorbeeld drie erbiumvezelversterkers, geoptimaliseerd voor afzonderlijke banden tussen 1.525 en 1.605 nanometer, om 128 golflengtekanalen met elk 10 Gbit/s in een enkele vezel te persen. Lucent heeft erbiumversterkers met een vergelijkbaar bereik in het laboratorium gedemonstreerd en vorig jaar een nieuwe optische vezel geïntroduceerd die een lang verwaarloosd blok van het spectrum rond 1400 nanometer opent. Voor andere golflengten zijn er nog geen goede optische versterkers.

Om WDM zijn volledige potentieel te laten bereiken, is er echter meer nodig dan alleen extra golflengten in te pakken. Ook zal het nodig zijn om betere apparatuur te ontwikkelen voor het schakelen en manipuleren van de verschillende golflengten nadat het signaal uit de optische buis komt. Optische schakelaars komen in de buurt van praktische commerciële toepassingen, zegt analist Mack van KMI. Hij voegt er echter aan toe dat om volledig te emuleren wat er gebeurt in digitale cross-connects, je golflengten opnieuw moet toewijzen en opnieuw toewijzen. Het is onmogelijk om in een heel systeem dezelfde golflengte aan één klant toe te wijzen, omdat het enorme netwerk veel meer klanten heeft dan golflengten.

De afbeelding hieronder laat zien hoe signalen uit San Francisco en Cupertino op dezelfde golflengte in Palo Alto aankomen, beide richting San Jose. Het Palo Alto-knooppunt moet voor het laatste deel van zijn reis één signaal naar een andere golflengte converteren, zodat de berichten die ze vervoeren niet hopeloos in de war raken. Golflengteconversie moet nu dezelfde brute-forcebenadering volgen als regeneratoren, waarbij het optische signaal wordt omgezet in een elektronisch signaal dat een zender op de uitgangsgolflengte kan aansturen. All-optische conversiebenaderingen, hoewel aangetoond in het laboratorium, moeten nog commercieel praktisch worden.

Maar zelfs als deze technische problemen worden opgelost, is dat niet genoeg om de technologie echt zijn vleugels te laten uitslaan. Daarvoor zal ook de prijs naar beneden moeten - een traject dat volgens insiders al duidelijk is geworden. Adel Saleh, hoofd van de onderzoeksafdeling voor breedbandtoegang bij AT&T Labs in Red Bank, NJ, zullen projecten die kosten per netwerkknooppunt elke vijf jaar met een factor 10 verlagen, te beginnen bij $ 1 miljoen in 1995. De komende twee jaar zullen hij zegt dat WDM alleen voordelig is voor backbone-netwerken. Zodra de kosten dalen tot $ 100.000 per knooppunt, zal de technologie zinvol zijn voor grootstedelijke en regionale netwerken, te beginnen met service aan grote bedrijven. Saleh verwacht dat toegang tot woningen in grote appartementsgebouwen zal volgen nadat de kosten zijn gedaald tot $ 10.000 per knooppunt in ongeveer 2005, waarbij WDM individuele woningen zal bereiken zodra de kosten zijn gedaald tot ongeveer $ 1.000 in 2010.

De echte kracht van WDM ligt in de manier waarop het de optische luchtwegen uitbreidt, zodat iedereen meer zuurstof van informatie kan inademen. Aan het begin van het radiotijdperk schreeuwde elke zender over het hele radiospectrum en blokkeerde andere signalen voor de duur van zijn uitzending. Toen leerden ingenieurs om circuits te bouwen die elke zender afstemden op zijn eigen frequentie, waardoor het radiospectrum werd geopend voor de vele stations die we tegenwoordig kunnen horen. Op vrijwel dezelfde manier vervangt WDM een enkele stroom zwart-witbits door een veelvoud aan verschillend gekleurde signalen.

WDM creëert enorme nieuwe informatiepijplijnen die betere service zullen bieden tegen lagere kosten. Maar de echte informatierevolutie zal pas komen als goedkope WDM-pijpleidingen individuele woningen bereiken. De moderne modemverbindingen blijven knelpunten en dwingen ons om de stroom aan gegevens te slurpen via het elektronische equivalent van een dun plastic rietje. Maar maak je klaar: als glasvezel het huis bereikt, kan je eigen golflengte een borrelende fontein van stukjes opleveren.

zich verstoppen